Vật liệu nano carbon

1 TS. Nguyễn Quang Long – ĐHBK TP.HCM Vật liệu nano carbon Nội dung • Giới thiệu • Vật liệu carbon truyền thống • Vật liệu fullerence • Vật liệu carbon nanotube Giới thiệu • Than (charcoal)  5000 BC từ gỗ • Than chì (graphite) : Trung cổ, bút chì • Diamond:  4000 BC tại Ấn Độ • 1985: fullerenes • 1991: carbon nanotube  khoảng 50 000 bài báo 2 Graphite Soot • Soot (carbon black): spherical graphite structure • dùng làm chất đột trong công nghiệp sản xuất vỏ xe Carbon fibers Carbon fibers 3 Activated carbon • 300-1000 m 2 /g , pore diameter = 1- 5 nm, làm chất hấp phụ • Sản xuất bằng cách xử lý nhiệt (nhiệt độ vừa phải) các nguyên liệu chứa carbon: gỗ, vỏ dừa, tạo lỗ xốp và kết thúc là quá trình rữa tạp chất. • Thế giới mỗi năm sản xuất 100 000 tấn. Diamond • Cấu trúc Diamond: sp 3 , bond length = 154,45 pm, cấu trúc fcc (phổ biến) hoặc hexagonal Diamond • đến 1950: chỉ có nguồn tự nhiên • Graphite  diamond: ở độ sâu> 150 km, áp suất > 4.5 GPa , nhiệt độ 900 -1300 °C. • Sản lượng: 150.2 megacarat (30t) trong đó: Australia (6.6t), Africa (16t in total), and Russia (4.8t). Diamond 4 Diamond • Áp suất:  GPa • Nhiệt độ 1500 °C. • Chất xúc tác: groups VIB and VIIIA, chủ yếu là Fe và Ni. • Sản lượng mỗi năm: 108t, chủ yếu là: Russia (16 t), Ireland (12 t), South Africa (12 t), Japan (6.8 t), and Belarus (5t) (2003) Nội dung • Giới thiệu • Vật liệu carbon truyền thống • Vật liệu fullerence • Vật liệu carbon nanotube Carbon • Cấu trúc electron của C: [He] 2s 2 2p 2 • Độ âm điện: C(2,55) P (2.1), B (2.0), S (2.5) 5 Carbon Các dạng đồng vị trong tự nhiên: • 12 C (98.89%) • 13 C (1.11%) (NMR) • 14 C (traces) (radioactive) (chu kỳ bán rã khoảng 5730 năm) Graphite vs. diamond Graphite Độ dẫn điện • Dẫn điện tốt theo chiều “parallel to the lattice planes” bằng các electron , độ dẫn điện riêng:= 10 4 – 2.10 5 Ω -1 cm -1 , • Dẫn điện kém theo chiều dọc trục (z- axis) = 0.33 to 200 Ω -1 cm -1 • Ag:  =6,3.10 5 Ω -1 cm -1 Cu:  =6,0.10 5 Ω -1 cm -1 Graphite Độ dẫn điện • Drinking water: 5×10 −6 to 5×10 −4 Ω -1 cm -1 • Deionized water: 5.5×10 −8 Ω -1 cm -1 • Air: 3×10 −17 to 8×10 −17 Ω -1 cm -1 • Paraffin: 10 −20 Ω -1 cm -1 • PET: 10 −23 Ω -1 cm -1 • Graphite: ideal black body: hấp thụ 99,5% bức xạ 6 Diamond • Độ cứng (hardness): Nhôm, vàng , bạc, đồng (3), Sắt (4), Diamond (10) Diamond Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt (W m -1 .K -1 ) Diamond 2200 Cu 370 Al 250 Au 315 Fe 55 Độ dẫn nhiệt: tốt nhất trong các vật liệu tự nhiên Diamond Vật liệu Hệ số dãn nở nhiệt (x10 6 .m.m -1 K -1 ) Diamond 1 Cu 17 Al 23 Au 14 Fe 12 Hệ số dãn nở nhiệt: rất nhỏ Diamond • Chất cách điện – Band-gap E= 5,5 eV – Độ dẫn điện riêng : 8.10 -14 Ω -1 cm -1 7 Thông số nhiệt động Chất  H 0 298 (kJ/mol) S 0 298 (J/mol.K)  G 0 298 (kJ/mol) Graphite 0 5,6 0 Diamond 1,9 2,4 2,9 Giản đồ pha Tính chất hóa học chung • C tương đối trơ về hóa học, Các phản ứng: - Với Oxy - Với S, B, Si, halogen, N Tính chất hóa học chung • Graphite: – Phản ứng với halogen, – Tạo sandwich structure C m M 8 Tính chất hóa học chung • Diamond: cháy trong O 2 ở nhiệt độ 900 – 1200 0 C, không bị phá hủy trong acid, bazo, chất oxy hóa mạnh, phản ứng với chromosulfuric acid (CrO 3 .H 2 SO 4 ) ứng dụng • Trong công nghiệp luyện kim • Graphite: Điện cực trong công nghệ điện phân, chổi carbon trong động cơ điện, trong các lò phản ứng hạt nhân do khả năng lưu giữ neutron, dùng làm chất bôi trơn khô do độ cứng thấp, và bút chì • Diamond: trang sức, đầu mài- cắt – khoan, trong các máy UV do khả năng truyền suốt vùng ánh sáng UV rộng ứng dụng • Carbon black: 90% dùng làm chất độn trong đó 2/3 dùng trong vỏ xe. • Carbon fiber: dùng chế tạo vật liệu composit (nhẹ hơn thép nhưng cứng và bền như thép) • Activated carbon: chất hấp phụ Nội dung • Giới thiệu • Vật liệu carbon truyền thống • Vật liệu fullerence • Vật liệu carbon nanotube 9 Giới thiệu • “cages made from carbon” • C 60 : predicted 1970 Giới thiệu Giới thiệu • 1985 – experimentally synthesis fullerenes • Fullerenes là những cage rỗng bao gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau trong vòng ngũ giác, lục giác. • Mỗi nguyên tử carbon trên bề mặt cage được gắn với ba carbon kề cận do đó là lai hóa sp 2 . Fullerene nổi tiếng nhất là C60, cũng được biết đến bởi "buckyball". • Cụm tương đối phổ biến khác là C70, C72, C74, C76, C80, C82 và C84 Cấu trúc – mạng lưới ba chiều của các nguyên tử carbon, – mỗi nguyên tử được kết nối chính xác ba nguyên tử kế cận, và – mỗi nguyên tử được liên kết bởi hai liên kết đơn và một liên kết đôi – Lồng fullerene có đường kính khoảng 7-15 Å, và một nguyên tử carbon chiều dày. – Khá ổn định về mặt hóa học và vật lý (phá vỡ các F đòi hỏi nhiệt độ khoảng 1000 °C. 10 Ứng dụng • Do tính chất cực kỳ bền và chắc, xem xét để sử dụng trong bộ áo giáp chiến đấu. • dẫn xuất hòa tan trong nước của fullerenes ức chế HIV-1 protease (enzyme chịu trách nhiệm cho sự phát triển của virus)  hữu ích trong cuộc chiến chống virus HIV (AIDS). • Sự kết hợp với các nguyên tố khác trên C60 hoặc các fullerenes khác để tạo ra vật liệu đa dạng hơn, bao gồm cả chất siêu dẫn và chất cách điện. Sản xuất Nhiệt phân các Hydrocarbon • Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) • HCs bao gồm 5 và 6 vòng khá dễ dàng chuyển đổi thành các fullerenes khi xử lý nhiệt: ví dụ: naphthalene, corannulene hoặc hợp chất polycyclic aromatic cao hơn . • đun nóng đến khoảng 1000 °C trong môi trường khí trơ (Ar). Sản xuất Naphthalene (C 10 H 8 ) Corannulene (C 20 H 10 ) Sản xuất • Partial Combustion of Hydrocarbons – Benzen là nguồn phổ biến nhất của carbon cho quá trình này. Nó được pha trộn với oxy và argon và đốt cháy. – Hỗn hợp kết quả có chứa soot, các hợp chất thơm polycyclic và một phần nhất định của fullerenes chiếm 0,003 - 9,0% tổng khối lượng muội. – Hydrocarbon khác như toluene hoặc khí mêtan có thể được sử dụng. [...]... trời Vật liệu có tính chất điện tử thích hợp Cảm biến hóa học • • • • Giới thiệu Vật liệu carbon truyền thống Vật liệu fullerence Vật liệu carbon nanotube Giới thiệu • Như một tờ giấy (lớp graphene) được cuộn lên với các cạnh của nó kết nối để tạo ra một ống • Có thể có đường kính khác nhau, một số những ống có thể lồng nhau tạo một ống nano carbon đa vách • Nhóm S Iijima đã được tìm thấy các ống nano. .. nano carbon khi nghiên cứu các loại muội khác nhau từ các thí nghiệm cho sản xuất fullerene 16 Cấu trúc • Một khác biệt chủ yếu giữa (SWNT) và (MWNT): đường kính và độ dài • Có thể có hoặc không có những cái mũ ở đầu ống: ống nano carbon đóng hoặc mở Cấu trúc • Có ba loại ống nano carbon khác nhau trong cách các tấm graphene cơ bản được cuộn lại: – Zig - zag carbon nanotubes – Armchair carbon nanotubes... ống nano carbon luôn luôn chứa một số tạp chất: các hạt chất xúc tác kim loại, carbon vô định hình, các hạt nano carbon chứa kim loại, fullerenes, và các mảnh vỡ polyaromatic 30 Tính chất cơ Tính chất cơ Tính chất cơ • Các phép đo của mô đun Young (mô đun đàn hồi) của ống nano carbon đơn vách mang lại giá trị 0,4-4,15 TPA Trung bình 1,0 - 1,25 TPA, là con số cao nhất từng được báo cáo cho vật liệu. .. carbon nanotubes – Chiral carbon nanotubes 17 Cấu trúc • SWNT – bao gồm một tấm graphene đơn cuộn lên để trở thành một hình trụ rỗng bao phủ trục dọc của ống – phần đầu ống của một SWNT mở: hầu hết các nguyên tử carbon có liên kết không bão hòa 18 Cấu trúc MWNT • bao gồm một sự sắp xếp đồng tâm các ống nano với một khoảng cách giữa các lớp Ví dụ với hai ống nano: gọi là ống nano tường đôi DWNTs • Có... electron di chuyển xa thông qua các ống nano mà không cần tương tác với khuôn khổ carbon • Độ dẫn điện của ống nano carbon chịu ảnh hưởng của các khuyết tật • Các tạp chất cũng ảnh hưởng đến sự dẫn điện của CNTs • Tính phát xạ trường (Field Emission) • Đây là khả năng phát ra các electron khi áp một điện trường ngoài vào • Phát xạ trường là không chỉ có ở các ống nano carbon Nó đã được biết đến với các... SWNT • Hỗn hợp của niken hoặc coban hoặc yttrium đã được tìm thấy sẽ được đặc biệt phù hợp có thể, trong khi helium đã chứng minh cũng như khí trơ • Năng suất của một ống nano carbon là khoảng 15%, trong khi 50% của carbon là vật liệu vô định hình • Các sản phẩm thô cũng chứa lên đến 20% chất xúc tác, trong đó có thể được loại bỏ trước khi tiếp tục sử dụng Sản xuất SWNT • Laser Ablation (Cắt đốt bằng... trực tiếp các nguyên liệu ban đầu • Hỗn hợp kết quả sau đó được đưa vào lò phản ứng có thể ở dạng rắn hoặc ở trạng thái lỏng bởi một dòng khí Sản xuất SWNT • • Chemical Vapor Deposition ( CVD) SWCNT từ ethanol/ferrocence 23 Sản xuất SWNT • CVD đã được ứng dụng hơn 20 năm triển để sản xuất sợi carbon và sợi filament • Kỹ thuật này cũng rất phù hợp cho việc chế tạo vật liệu ống nano khác nhau • Bao gồm:... ống nano carbon Nó đã được biết đến với các electron có thể được chiết xuất từ ​bề mặt của vật liệu dẫn điện Tính chất quang phổ • Các quang phổ Raman của ống nano carbon cung cấp thông tin có giá trị về hình dạng và thành phần của cấu trúc • Chúng cũng có thể dùng chứng minh sự tồn tại hay không tồn tại của ống nano trong một mẫu IR 32 Tính chất quang phổ Tính chất Nhiệt • Raman band của: Graphite:... xuất SWNT • Kiểm soát đường kính ống nano bằng của các hạt chất xúc tác với các kích thước là thú vị: Sản xuất SWNT • Vai trò chất xúc tác: – tạo điều kiện cho việc phân hủy nhiệt của hydrocarbon – có thể hoạt động như là các khối xây dựng cho sự phát triển ống nano Sản xuất MWNT • Arc Discharge – Ví dụ, với các hạt sắt đường kính 3, 9, hoặc 13 nm rộng  Các ống nano kết quả có đường kính trung bình... 700 °C (thông thường :500 - 1000 °C) 29 Sản xuất MWNT • Đường kính ngoài của ống nano multiwalled là khoảng 30 nm + các lớp carbon vô định hình lớp phủ khá dày  cấu trúc có đường kính tổng thể khoảng130 nm • Chiều dài của ống có thể dao động đến micromet và phụ thuộc vào thời gian phản ứng Sản xuất MWNT • Các ống nano carbon cũng có thể được sản xuất bởi pyrolysis naphtalene vào khoảng 900 °C trong . TS. Nguyễn Quang Long – ĐHBK TP.HCM Vật liệu nano carbon Nội dung • Giới thiệu • Vật liệu carbon truyền thống • Vật liệu fullerence • Vật liệu carbon nanotube Giới thiệu • Than (charcoal). Vật liệu carbon truyền thống • Vật liệu fullerence • Vật liệu carbon nanotube Carbon • Cấu trúc electron của C: [He] 2s 2 2p 2 • Độ âm điện: C(2,55) P (2.1), B (2.0), S (2.5) 5 Carbon. chất hấp phụ Nội dung • Giới thiệu • Vật liệu carbon truyền thống • Vật liệu fullerence • Vật liệu carbon nanotube 9 Giới thiệu • “cages made from carbon • C 60 : predicted 1970 Giới